De pine nematode is in quarantaine migrearjende endoparasyt bekend om slimme ekonomyske ferliezen te feroarsaakje yn pine bosk ekosystemen. De hjoeddeiske stúdzje beoardielet de nematicide aktiviteit fan halogenearre indoles tsjin pine nematodes en har meganisme fan aksje. De nematicide aktiviteiten fan 5-iodoindole en avermectin (positive kontrôle) tsjin pine nematodes wiene ferlykber en heech by lege konsintraasjes (10 μg / ml). 5-iodoindole fermindere fruchtberens, reproduktive aktiviteit, embryonale en larvale mortaliteit, en lokomotorgedrach. Molekulêre ynteraksjes fan liganden mei invertebrate-spesifike glutamate-gated chloride-kanaal-receptors stypje it begryp dat 5-iodoindole, lykas avermectin, strak bindet oan 'e receptor-aktive side. 5-Iodoindole feroarsake ek ferskate phenotypic deformations yn nematodes, ynklusyf abnormale oargel collapse / krimp en ferhege vacuolization. Dizze resultaten suggerearje dat vacuoles in rol spylje kinne yn nematode-methylaasje-bemiddele dea. Wichtich wie 5-iodoindole net-giftig foar beide plantensoarten (koal en radys). Sa, dizze stúdzje toant dat iodoindole tapassing ûnder miljeu omstannichheden kin kontrôle pine wil blessuere.
Pinehout nematode (Bursaphelenchus xylophilus) heart ta de dennenhout nematodes (PWN), migrearjende endoparasitêre nematoden bekend om slimme ekologyske skea te feroarsaakje oan dennebosk-ekosystemen1. Pine wil sykte (PWD) feroarsake troch de pine hout nematoade wurdt in serieus probleem op ferskate kontininten, ynklusyf Azië en Europa, en yn Noard-Amearika, de nematoade ferneatiget yntrodusearre pine soarten1,2. De delgong fan pinebeam is in grut ekonomysk probleem, en it perspektyf fan har wrâldwide fersprieding is soargen3. De folgjende dennesoarten wurde meast oanfallen troch de nematode: Pinus densiflora, Pinus sylvestris, Pinus thunbergii, Pinus koraiensis, Pinus thunbergii, Pinus thunbergii en Pinus radiata4. Pine nematode is in serieuze sykte dy't pinebeammen deadzje kin binnen wiken of moannen fan ynfeksje. Dêrneist binne pine nematode-útbraken gewoan yn in ferskaat oan ekosystemen, sadat oanhâldende ynfeksjeketten binne fêststeld1.
Bursaphelenchus xylophilus is in quarantaine plant-parasitêre nematode dy't heart ta de superfamily Aphelenchoidea en clade 102.5. De nematoade fiedt op skimmels en reprodusearret yn it houtweefsel fan pinebeammen, en ûntwikkelt yn fjouwer ferskillende larvalstadia: L1, L2, L3, L4 en in folwoeksen yndividu1,6. Under betingsten fan fiedseltekoart giet de pine-nematoade oer yn in spesjalisearre larvalstadium - dauer, dy't syn vector parasitearret - de pinebastkever (Monochamus alternatus) en wurdt oerbrocht nei sûne pinebeammen. Yn sûne hosts migrearje nematoden fluch troch plantweefsels en fiede op parenchymatous sellen, wat liedt ta in oantal hypersensitiviteitsreaksjes, pine ferwelting en dea binnen in jier nei ynfeksje1,7,8.
Biologyske bestriding fan pine-nematoden is al lang in útdaging, mei karantinemaatregels út de 20e iuw. Aktuele strategyen foar it kontrolearjen fan pine-nematoden befetsje benammen gemyske behannelingen, ynklusyf houtfumigaasje en ymplantaasje fan nematiziden yn beamstammen. De meast brûkte nematiziden binne avermectin en avermectinbenzoat, dy't ta de avermectinfamylje hearre. Dizze djoere gemikaliën binne heul effektyf tsjin in protte nematodesoarten en wurde beskôge as miljeufeilich9. It werhelle gebrûk fan dizze nematiziden wurdt lykwols ferwachte dat se seleksjedruk sil meitsje dy't hast wis sil liede ta it ûntstean fan resistente pine-nematoden, sa't is oantoand foar ferskate ynsektenpest, lykas Leptinotarsa decemlineata, Plutella xylostella en de nematoden Trichostrongylus colubriformis en Ostertagia circ, dy't hawwe ûntwikkele tsjin graducinacta circ. avermectins10,11,12. Dêrom moatte wjerstânspatroanen regelmjittich studearre wurde en nematiziden kontinu screene om alternative, kosten-effektive en miljeufreonlike maatregels te finen om PVD te kontrolearjen. Yn 'e ôfrûne desennia hawwe in oantal auteurs it gebrûk fan plantekstrakten, essensjele oaljes en flechtige stoffen foarsteld as aginten foar nematodekontrôle13,14,15,16.
Wy hawwe koartlyn de nematicidale aktiviteit fan indole oantoand, in intercellular en interkingdom sinjaalmolekule, yn Caenorhabditis elegans 17. Indole is in wiidferspraat yntrazellulêr sinjaal yn mikrobiale ekology, kontrolearret in protte funksjes dy't ynfloed hawwe op mikrobiele fysiology, sporefoarming, plasmidstabiliteit, drugsresistinsje, biofilmfoarming en virulinsje 18, 19 . De aktiviteit fan indole en syn derivaten tsjin oare pathogene nematodes is net studearre. Yn dizze stúdzje ûndersochten wy de nematicidale aktiviteit fan 34-indoles tsjin pine-nematoden en ferklearje it meganisme fan aksje fan 'e machtichste 5-iodoindole mei mikroskopy, time-lapse-fotografy, en molekulêre docking-eksperiminten, en beoardiele har giftige effekten op planten mei in siedkiemingsassay.
Hege konsintraasjes (> 1,0 mM) fan indole binne earder rapportearre om in nematizid effekt te hawwen op nematodes17. Nei behanneling fan B. xylophilus (mingde libbensstadia) mei indole of 33 ferskillende indole-derivaten op 1 mM, waard mortaliteit fan B. xylophilus mjitten troch it tellen fan libbene en deade nematodes yn 'e kontrôle en behannele groepen. Fiif indoles eksposearre wichtige nematicide aktiviteit; it oerlibjen fan 'e net behannele kontrôtgroep wie 95 ± 7% nei 24 h. Fan 'e 34 ûndersochte indoles feroarsake 5-iodoindole en 4-fluoroindole by 1 mM 100% mortaliteit, wylst 5,6-difluoroindigo, methylindole-7-carboxylate, en 7-iodoindole feroarsake sawat 50% mortaliteit (tabel 1).
Effekt fan 5-iodoindole op vacuole formaasje en metabolisme fan pine hout nematode. (A) Effekt fan avermectin en 5-iodoindole op folwoeksen manlike nematodes, (B) L1 stadium nematode aaien en (C) metabolisme fan B. xylophilus, (i) vacuoles waarden net waarnommen op 0 h, behanneling resultearre yn (ii) vacuoles, (iii) accumulation fan meardere vacuoles, (iv) fúzje fan vacuoles, (iv) fúzje fan vacuoles en (vi) formaasje fan reus vacuoles. Reade pylken jouwe swelling fan vacuoles oan, blauwe pylken jouwe fúzje fan vacuoles oan en swarte pylken jouwe gigantyske vacuoles oan. Skaalbalke = 50 μm.
Derneist beskreau dizze stúdzje ek it opfolgjende proses fan metaan-induzearre dea yn pine-nematoden (figuer 4C). Methanogenyske dea is in net-apoptotyske soarte fan seldea dy't ferbûn is mei de accumulation fan promininte cytoplasmyske vacuoles27. De morfologyske defekten dy't beoardiele binne yn pine-nematoden lykje nau besibbe te wêzen mei it meganisme fan metaan-induzearre dea. Mikroskopysk ûndersyk op ferskate tiden liet sjen dat gigantyske vacuoles waarden foarme nei 20 h fan bleatstelling oan 5-iodoindole (0.1 mM). Mikroskopyske vacuoles waarden observearre nei 8 oeren fan behanneling, en har oantal ferhege nei 12 oeren. Ferskate grutte vacuoles waarden nei 14 oeren waarnommen. Ferskate fusearre fakuoles wiene dúdlik sichtber nei 12-16 h fan behanneling, wat oanjout dat fakuolefúzje de basis is fan it methanogenyske deameganisme. Nei 20 oeren waarden ferskate gigantyske vacuoles fûn yn 'e wjirm. Dizze observaasjes fertsjintwurdigje it earste rapport fan metuose yn C. elegans.
Yn 5-iodoindole-behannele wjirms waarden ek fakuoleaggregaasje en brekking beoardiele (figuer 5), lykas bewiisd troch wjirmbûgjen en fakuole frijlitting yn 'e omjouwing. Vacuole fersteuring waard ek waarnommen yn de aaishell membraan, dat wurdt normaal bewarre bleaun troch L2 tidens útbrek (Supplementary Fig. S2). Dizze beoardielingen stypje de belutsenens fan floeistofakkumulaasje en osmoregulearjende mislearring, lykas reversibele selferwûning (RCI), yn it proses fan fakuolefoarming en suppuraasje (fig. 5).
Hypoteze de rol fan iod yn 'e waarnommen fakuolefoarming, ûndersochten wy de nematicidale aktiviteit fan natriumjodide (NaI) en kaliumjodide (KI). Lykwols, by konsintraasjes (0.1, 0.5 of 1 mM), se hawwe gjin ynfloed op beide nematode oerlibjen of vacuole formaasje (Supplementary Fig. S5), hoewol't 1 mM KI hie in licht nematicidal effekt. Oan 'e oare kant, 7-iodoindole (1 of 2 mM), lykas 5-iodoindole, feroarsake meardere vakuoles en strukturele deformaasjes (Supplementary Fig. S6). De twa iodoindols lieten ferlykbere fenotypyske skaaimerken sjen yn pine nematodes, wylst NaI en KI net diene. Ynteressant hat indole gjin fakuole-formaasje yn B. xylophilus yn 'e konsintraasjes ûndersocht (gegevens net werjûn). Sa hawwe de resultaten befêstige dat it indole-iodkompleks ferantwurdlik is foar de fakuolisaasje en metabolisme fan B. xylophilus.
Under de yndolen ûndersocht foar nematicidale aktiviteit hie 5-iodoindole de heechste slipyndeks fan -5.89 kcal / mol, folge troch 7-iodoindole (-4.48 kcal / mol), 4-fluoroindole (-4.33), en indole (-4.03) (figuer 6). De sterke wetterstofferbining fan 'e rêchbonke fan 5-iodoindole oan leucine 218 stabilisearret syn bining, wylst alle oare indole-derivaten bine oan serine 260 fia wetterstofferbiningen fan sydketen. Under oare modele iodindols hat 2-iodoindol in binende wearde fan -5,248 kcal/mol, wat te tankjen is oan syn wichtichste wetterstofbân mei leucine 218. Oare bekende bindingen binne 3-iodoindole (-4,3 kcal/mol), 4-iodoindole (-4,0 kcal/mol), en 6- fluoroindole (S-2-6-uppl.) figuer S8). De measte halogenated indoles en indole sels, mei útsûndering fan 5-iodoindole en 2-iodoindole, foarmje in bân mei serine 260. It feit dat wetterstof bonding mei leucine 218 is yndikatyf fan effisjinte receptor-ligand bining, lykas waarnommen foar ivermectin (oanfoljende Fig. S7), befêstiget dat 5,-ioindole as 5,-2. ivermectin, binde strak oan de aktive side fan de GluCL receptor fia leucine 218 (figuer 6 en oanfoljende Fig. S8). Wy stelle foar dat dizze bining nedich is om de iepen poarstruktuer fan it GluCL-kompleks te behâlden en dat troch strak te ferbinen oan 'e aktive side fan' e GluCL-receptor, 5-iodoindole, 2-iodoindole, avermectin en ivermectin dus it ionkanaal iepen hâlde en floeistof opnimme.
Molekulêre docking fan indole en halogenated indole nei GluCL. Binende oriïntaasjes fan (A) indole, (B) 4-fluoroindole, (C) 7-iodoindole, en (D) 5-iodoindole liganden nei de aktive side fan GluCL. It aaiwyt wurdt fertsjintwurdige troch in lint, en de rêchbonke wetterstofobligaasjes wurde werjûn as giele stippellinen. (A′), (B′), (C′), en (D′) litte de ynteraksjes sjen fan 'e oerienkommende liganden mei de omlizzende aminosûrresiduen, en de sydketenwetterferbiningen wurde oanjûn troch rôze stippele pylken.
Eksperiminten waarden útfierd om it toxyske effekt fan 5-iodoindole te evaluearjen op 'e kieming fan koal en radyseaden. 5-iodoindole (0.05 of 0.1 mM) of avermectin (10 μg / ml) hie in bytsje of gjin effekt op inisjele kieming en plantlet ûntstean (figuer 7). Dêrnjonken waard gjin signifikant ferskil fûn tusken it kiemingsnivo fan ûnbehannele kontrôles en sieden behannele mei 5-iodoindole of avermectin. It effekt op taproot-ferlinging en it oantal foarme laterale woartels wie net signifikant, hoewol 1 mM (10 kear har aktive konsintraasje) fan 5-iodoindole de ûntwikkeling fan laterale woartels in bytsje fertrage. Dizze resultaten jouwe oan dat 5-iodoindole net-toxik is foar plantsellen en net ynterfereart mei plantûntwikkelingsprosessen by de konsintraasjes dy't studearre binne.
Effekt fan 5-iodoindole op sied germination. Germination, kiemjen en laterale rooting fan B. oleracea en R. raphanistrum sieden op Murashige en Skoog agar medium mei of sûnder avermectin of 5-iodoindole. Germination waard opnommen nei 3 dagen fan ynkubaasje by 22 ° C.
Dizze stúdzje rapportearret ferskate gefallen fan nematode-deadzjen troch yndolen. Wichtich is dit it earste rapport fan iodindole-inducerende methylaasje (in proses feroarsake troch de accumulation fan lytse vacuoles dy't stadichoan fusearje yn gigantyske vacuoles, úteinlik liedend ta membraanbrekking en dea) yn pine needles, mei iodoindole dy't signifikante nematicide-eigenskippen eksposearje lykas dy fan 'e kommersjele nemainectide avermect.
Indoles binne earder rapportearre om meardere sinjaalfunksjes út te oefenjen yn prokaryoten en eukaryoten, ynklusyf biofilm-ynhibysje / formaasje, baktearjele oerlibjen, en patogenisiteit19,32,33,34. Koartlyn hawwe de potinsjele therapeutyske effekten fan halogenearre indoles, indolealkaloïden en semisyntetyske indolederivaten wiidweidich ûndersyksbelang lutsen35,36,37. Bygelyks, halogenated indoles binne oantoand te deadzjen persistente Escherichia coli en Staphylococcus aureus sellen37. Derneist is it fan wittenskiplik belang om de effektiviteit fan halogenearre yndolen te studearjen tsjin oare soarten, genera en keninkriken, en dizze stúdzje is in stap nei it berikken fan dit doel.
Hjir stelle wy in meganisme foar foar 5-iodoindole-induzearre letaliteit yn C. elegans basearre op reversibele selferwûning (RCI) en methylaasje (figueren 4C en 5). Oedematous feroarings lykas puffiness en vacuolar degeneraasje binne yndikatoaren fan RCI en methylation, manifestearre as gigantyske vacuoles yn it cytoplasma48,49. RCI ynterfereart mei enerzjyproduksje troch it ferminderjen fan ATP-produksje, feroarsake mislearjen fan 'e ATPase-pomp, of fersteurt selmembranen en feroarsake in rappe ynstream fan Na+, Ca2+ en wetter50,51,52. Intracytoplasmyske fakuoles ûntsteane yn bistesellen as gefolch fan floeistofakkumulaasje yn it cytoplasma troch de ynstream fan Ca2+ en wetter53. Nijsgjirrich is dat dit meganisme fan sel skea omkearber is as de skea tydlik is en de sellen begjinne ATP foar in bepaalde perioade te produsearjen, mar as de skea oanhâldt of fergruttet, stjerre de sellen.54 Us beoardielingen litte sjen dat nematoden behannele mei 5-iodoindole net by steat binne om normale biosynteze te herstellen nei bleatstelling oan stressbetingsten.
De methylaasjefenotype dy't troch 5-iodoindole yn B. xylophilus feroarsake wurde kin troch de oanwêzigens fan iod en har molekulêre distribúsje, om't 7-iodoindole minder remmende effekt op B. xylophilus hie as 5-iodoindole (tabel 1 en oanfoljende figuer S6). Dizze resultaten binne foar in part yn oerienstimming mei de stúdzjes fan Maltese et al. (2014), dy't rapportearre dat translokaasje fan 'e pyridylstikstofgroep yn indole fan' e para- nei de meta-posysje ôfskaft vacuolization, groei-ynhibysje, en cytotoxiciteit yn U251-sellen, wat suggerearret dat de ynteraksje fan 'e molekule mei in spesifike aktive side yn' e proteïne kritysk is27,44,45. De ynteraksjes tusken indole of halogenated indoles en GluCL receptors beoardiele yn dizze stúdzje ek stypje dit begryp, as 5- en 2-iodoindole waarden fûn te binen oan GluCL receptors sterker as de oare yndoles ûndersocht (figuer 6 en oanfoljende figuer S8). It iod op 'e twadde of fyfde posysje fan' e indole waard fûn om te binen oan leucine 218 fan 'e GluCL-receptor fia rêchbonke wetterstofbondingen, wylst oare halogenearre indoles en indole sels swakke side-keten wetterstofbondingen foarmje mei serine 260 (figuer 6). Wy spekulearje dêrom dat de lokalisaasje fan 'e halogen in wichtige rol spilet yn' e yndeksje fan fakuolêre degeneraasje, wylst de strakke bining fan 5-iodoindole it ionkanaal iepen hâldt, wêrtroch rappe floeistofynfloed en fakuole-brekking mooglik is. It detaillearre meganisme fan aksje fan 5-iodoindole bliuwt lykwols te bepalen.
Foardat praktyske tapassing fan 5-iodoindole, moat syn giftige effekt op planten analysearre wurde. Us sied kieming eksperiminten lieten sjen dat 5-iodoindole hie gjin negatyf effekt op sied germination of folgjende ûntwikkeling prosessen by de konsintraasjes studearre (figuer 7). Sa jout dizze stúdzje in basis foar it brûken fan 5-iodoindole yn 'e ekologyske omjouwing om de skealikens fan pine-nematoden foar pinebeammen te kontrolearjen.
Eardere rapporten hawwe oantoand dat indole-basearre terapy in potinsjele oanpak is foar it oanpakken fan it probleem fan antibiotika-resistinsje en kankerprogression55. Dêrnjonken hawwe indoles antibakteriële, antykanker, anty-oksidant, anty-inflammatoare, anty-diabetika, antyvirale, antyproliferative en antytuberkuloaze aktiviteiten en kinne tsjinje as in kânsrike basis foar medisynûntwikkeling56,57. Dizze stúdzje suggerearret foar it earst it mooglike gebrûk fan iod as in antyparasitysk en anthelmintyske agint.
Avermectin waard trije desennia lyn ûntdutsen en wûn de Nobelpriis yn 2015, en it gebrûk as anthelmintika is noch aktyf oanhâldend. Troch de rappe ûntwikkeling fan wjerstân tsjin avermectins yn nematoaden en ynsekten, is lykwols in alternative, goedkeape en miljeufreonlike strategy nedich om PWN-ynfeksje yn pinebeammen te kontrolearjen. Dizze stúdzje rapportearret ek it meganisme wêrmei't 5-iodoindole pine-nematoden deadet en dat 5-iodoindole lege toxisiteit hat foar plantzellen, wat goede perspektiven iepenet foar syn takomstige kommersjele tapassing.
Alle eksperiminten waarden goedkard troch de Ethics Committee fan Yeungnam University, Gyeongsan, Korea, en de metoaden waarden útfierd yn oerienstimming mei de rjochtlinen fan it Ethics Committee fan Yeungnam University.
Eksperiminten foar aai-inkubaasje waarden útfierd mei fêststelde prosedueres43. Om útbrekraten (HR) te beoardieljen, waarden 1-dei-âlde folwoeksen nematoden (sawat 100 wyfkes en 100 mantsjes) oerbrocht nei Petri-skûtels dy't de fungus befette en mochten foar 24 oeren groeie. Eieren waarden doe isolearre en behannele mei 5-iodoindole (0.05 mM en 0.1 mM) of avermectin (10 μg / ml) as in suspensje yn sterile destillearre wetter. Dizze suspensies (500 μl; sawat 100 aaien) waarden oerbrocht nei de boarnen fan in 24-well weefselkultuerplaat en ynkubeare by 22 °C. L2-tellingen waarden makke nei 24 h fan ynkubaasje, mar waarden beskôge as dea as de sellen net bewege doe't stimulearre mei in fyn platina draad. Dit eksperimint waard útfierd yn twa stadia, elk mei seis werhellingen. De gegevens fan beide eksperiminten waarden kombinearre en presintearre. It persintaazje HR wurdt as folget berekkene:
De mortaliteit fan larven waard beoardiele mei earder ûntwikkele prosedueres. Nematode-aaien waarden sammele en embryo's waarden syngronisearre troch útbrek yn sterile destillearre wetter om L2-stadiumlarven te generearjen. Syngronisearre larven (sawat 500 nematodes) waarden behannele mei 5-iodoindole (0,05 mM en 0,1 mM) of avermectin (10 μg / ml) en grutbrocht op B. cinerea Petri platen. Nei 48 h fan ynkubaasje by 22 ° C, waarden nematoden sammele yn sterile destillearre wetter en ûndersocht foar de oanwêzigens fan L2, L3, en L4 stadia. De oanwêzigens fan L3- en L4-stadia joech larvaltransformaasje oan, wylst de oanwêzigens fan 'e L2-stadia gjin transformaasje oanjûn. Ofbyldings waarden oankocht mei it iRiS ™ Digital Cell Imaging System. Dit eksperimint waard útfierd yn twa stadia, elk mei seis werhellingen. De gegevens fan beide eksperiminten waarden kombinearre en presintearre.
De toxiciteit fan 5-iodoindole en avermectin foar sied waard beoardiele mei help fan kiemingstests op Murashige en Skoog agar platen.62 B. oleracea en R. raphanistrum sieden waarden earst socht yn sterile destillearre wetter foar ien dei, wosken mei 1 ml 100% ethanol foar kommersjele ethanol, sterilisearre mei 50% 1 ml chlorite 15 min, en wosken fiif kear mei 1 ml sterile wetter. De sterilisearre sieden waarden doe drukke op kiemingagarplaten mei 0,86 g / l (0,2X) Murashige en Skoog medium en 0,7% baktearologyske agar mei of sûnder 5-iodoindole of avermectin. De platen waarden dan ynkubeare by 22 ° C, en ôfbyldings waarden nommen nei 3 dagen fan ynkubaasje. Dit eksperimint waard útfierd yn twa stadia, elk fan dat hie seis werhellings.
Post tiid: Febrewaris 26-2025